TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Robotik und insbesondere das robotergestützte Bearbeiten von Werkstückoberflächen.The present invention relates to the field of robotics and in particular to the robot-assisted machining of workpiece surfaces.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Bei der robotergestützten Oberflächenbearbeitung wird eine Werkzeugmaschine wie z.B. eine Schleif- oder Poliermaschine (z.B. eine elektrisch betriebene Schleifmaschine mit rotierender Schleifscheibe als Schleifwerkzeug) von einem Manipulator, beispielsweise einem Industrieroboter, geführt. Dabei kann die Werkzeugmaschine auf unterschiedliche Weise mit dem sogenannten TCP (Tool Center Point) des Manipulators gekoppelt sein; der Manipulator kann in der Regel Position und Orientierung der Maschine praktisch beliebig einstellen und die Werkzeugmaschine z.B. auf einer Trajektorie parallel zur Oberfläche des Werkstücks bewegen. Industrieroboter sind üblicherweise positionsgeregelt, was eine präzise Bewegung des TCP entlang der gewünschten Trajektorie ermöglicht.In the case of robot-assisted surface processing, a machine tool such as a grinding or polishing machine (for example an electrically operated grinding machine with a rotating grinding wheel as a grinding tool) is guided by a manipulator, for example an industrial robot. The machine tool can use the so-called TCP (Tool Center Point) of the manipulator be coupled; the manipulator can usually set the position and orientation of the machine practically at will and move the machine tool, for example, on a trajectory parallel to the surface of the workpiece. Industrial robots are usually position-controlled, which enables precise movement of the TCP allows along the desired trajectory.
Um beim robotergestützten Schleifen ein gutes Ergebnis zu erzielen, ist in vielen Anwendungen eine Regelung der Prozesskraft (Schleifkraft) nötig, was mit herkömmlichen Industrierobotern oft nur schwer mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren ist. Die großen und schweren Armsegmente eines Industrieroboters besitzen eine zu große Massenträgheit, als dass ein Regler (closed-loop controller) rasch genug auf Schwankungen der Prozesskraft reagieren könnte. Um dieses Problem zu lösen, kann zwischen TCP des Manipulators und der Werkzeugmaschine ein im Vergleich zum Industrieroboter kleiner Linearaktor angeordnet sein, der den TCP des Manipulators mit der Werkzeugmaschine koppelt. Der Linearaktor regelt während der Oberflächenbearbeitung lediglich die Prozesskraft (also die Anpresskraft zwischen Werkzeug und Werkstück) während der Manipulator die Werkzeugmaschine samt Linearaktor positionsgeregelt entlang der gewünschten Trajektorie bewegt.In order to achieve a good result with robot-assisted grinding, a regulation of the process force (grinding force) is necessary in many applications, which is often difficult to achieve with sufficient accuracy with conventional industrial robots. The large and heavy arm segments of an industrial robot have too great a mass inertia for a closed-loop controller to be able to react quickly enough to fluctuations in the process force. To solve this problem, between TCP of the manipulator and the machine tool a compared to the industrial robot small linear actuator be arranged, the TCP of the manipulator couples with the machine tool. The linear actuator only regulates the process force (i.e. the contact force between the tool and the workpiece) during the surface treatment, while the manipulator moves the machine tool including the linear actuator in a position-controlled manner along the desired trajectory.
Es gibt Situationen, in denen die Trajektorie, entlang der der Manipulator die Werkzeugmaschine bewegt, nicht parallel zur Oberfläche verläuft und folglich die Wirkrichtung des Linearaktors (und damit die Richtung der Prozesskraft) nicht rechtwinklig zur Werkstückoberfläche ist. Diese Winkelabweichung (Abweichung vom rechten Winkel zur Oberfläche) kann eine fehlerhafte Oberflächenbearbeitung sowie eine verschlechterte Bearbeitungsqualität zur Folge haben.There are situations in which the trajectory along which the manipulator moves the machine tool does not run parallel to the surface and consequently the effective direction of the linear actuator (and thus the direction of the process force) is not perpendicular to the workpiece surface. This angular deviation (deviation from the right angle to the surface) can result in faulty surface processing and poor processing quality.
Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Vorrichtung für die robotergestützte Oberflächenbearbeitung sowie ein entsprechendes Verfahren zu entwickeln.The inventors have set themselves the task of developing an improved device for robot-assisted surface processing and a corresponding method.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 18 sowie durch ein System gemäß Anspruch 15 oder 17 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The above-mentioned object is achieved by a device according to claim 1 or 18 and by a system according to claim 15 or 17. Different embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur robotergestützten Bearbeitung von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Beispiel weist die Vorrichtung eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an einem Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine auf. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei die beiden Drehachsen sich schneiden können und unterhalb der Basisplatte durch die Baugruppe hindurch verlaufen.A device for the robot-assisted processing of surfaces is described below. According to one example, the device has a holder with a base plate designed for mounting on a manipulator and an assembly comprising a machine tool suspended from the holder. The holder has a tilting mechanism that couples the assembly to the holder in such a way that the assembly can be tilted relative to the base plate about two axes of rotation, the two axes of rotation being able to intersect and extend through the assembly below the base plate.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an einem Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei der Kippmechanismus einen Anschlag aufweist, sodass eine Verkippung um die zwei Drehachsen nur bis zu definierten Maximalwinkeln möglich ist, und wobei der Kippmechanismus verriegelbar ist, sodass eine Verkippung blockiert ist.According to a further exemplary embodiment, the device comprises a holder with a base plate designed for mounting on a manipulator and an assembly including a machine tool suspended from the holder. The holder has a tilting mechanism that couples the assembly to the holder in such a way that the assembly can be tilted about two axes of rotation relative to the base plate, the tilting mechanism having a stop so that tilting about the two axes of rotation is only possible up to defined maximum angles, and wherein the tilting mechanism can be locked so that tilting is blocked.
Des Weiteren wird ein System zur robotergestützten Bearbeitung von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das System einen Manipulator, eine mit einem Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators gekoppelte Baugruppe mit einer Werkzeugmaschine sowie eine Steuerung zur Steuerung der Bewegung des TCPs des Manipulators. Die Steuerung ist dazu ausgebildet eine Winkelabweichung zwischen einer Längsachse der Werkzeugmaschine und einer Normalen einer Werkstückoberfläche zu ermitteln, während ein auf der Werkzeugmaschine montiertes Werkzeug die Werkstückoberfläche berührt. Die Steuerung ist weiter dazu ausgebildet, basierend auf der ermittelten Winkelabweichung die Orientierung des TCPs anzupassen, sodass die Winkelabweichung kleiner wird.Furthermore, a system for robot-assisted processing of surfaces is described. According to one embodiment, the system comprises a manipulator, one with a tool center point ( TCP ) of the manipulator coupled assembly with a machine tool and a controller for controlling the movement of the TCP of the manipulator. The control is designed to determine an angular deviation between a longitudinal axis of the machine tool and a normal to a workpiece surface while a tool mounted on the machine tool is touching the workpiece surface. The controller is further designed to adapt the orientation of the TCP based on the determined angular deviation, so that the angular deviation becomes smaller.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das System einen Manipulator und eine mit einem TCP des Manipulators gekoppelte Vorrichtung, die eine Halterung mit einer Basisplatte ausgebildet zur Montage an den Manipulator sowie eine an der Halterung aufgehängte Baugruppe umfassend eine Werkzeugmaschine aufweist. Die Halterung weist einen Kippmechanismus auf, der die Baugruppe so mit der Halterung koppelt, dass die Baugruppe relativ zur Basisplatte um zwei Drehachsen verkippbar ist, wobei die beiden Drehachsen sich schneiden können und unterhalb der Basisplatte durch die Baugruppe hindurch verlaufen. Die Vorrichtung umfasst weiter Sensoren, die dazu ausgebildet sind, die den beiden Drehachsen zugeordneten Kippwinkel zu ermitteln.According to a further embodiment, the system includes a manipulator and one with a TCP of the manipulator coupled device, which has a holder with a base plate designed for mounting on the manipulator and an assembly suspended from the holder comprising a machine tool. The holder has a tilting mechanism that couples the assembly to the holder in such a way that the assembly can be tilted relative to the base plate about two axes of rotation, the two axes of rotation being able to intersect and extend through the assembly below the base plate. The device further comprises sensors which are designed to determine the tilt angles assigned to the two axes of rotation.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:
- 1 illustriert ein Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung.
- 2 illustriert an einem Beispiel den Ausgleich eines Winkelfehlers der Orientierung des Tool-Center-Points (TCPs) einer robotergestützten Schleifvorrichtung relativ zur Werkstückoberfläche durch Anpassung des TCPs.
- 3 illustriert an einem Beispiel den Ausgleich eines Winkelfehlers der Orientierung des Tool-Center-Points (TCPs) mittels eines Kreuzgelenks, sodass keine Anpassung des TCPs nötig ist.
- 4 illustriert ein Beispiel einer Ankopplung einer Schleifmaschine an den TCP eines Manipulators gemäß 3 detaillierter, wobei die Ankopplung über eine Halterung mit einem Kreuzgelenk erfolgt, das verriegelt werden kann.
- 5 zeigt das Beispiel aus 4 mit entriegeltem Kreuzgelenk und verkippter Schleifmaschine.
- 6 illustriert eine isometrische Darstellung eines weiteren Beispiels einer robotergestützten Schleifvorrichtung mit einem Kreuzgelenk zum Ausgleich von Winkelfehlern.
- 7 ist eine Schnittdarstellung zur Illustration einer Verriegelungsvorrichtung (im nicht verriegelten Zustand) zum Fixieren des Kreuzgelenks in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6.
- 8 zeigt die Verriegelungsvorrichtung aus 7 detaillierter.
- 9 zeigt das Beispiel aus 7, wobei die Verriegelungsvorrichtung das Kreuzgelenk verriegelt, sodass keine Verkippung der Schleifmaschine relativ zum TCP möglich ist.
The invention is explained in more detail below using the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily true to scale and the invention is not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on illustrating the principles on which the invention is based. About the pictures: - 1 illustrates an example of a robotic grinding device.
- 2 uses an example to illustrate the compensation of an angular error in the orientation of the tool center point (TCP) of a robot-supported grinding device relative to the workpiece surface by adapting the TCP.
- 3 uses an example to illustrate the compensation of an angular error in the orientation of the tool center point (TCP) by means of a universal joint, so that no adaptation of the TCP is necessary.
- 4th illustrates an example of a coupling of a grinding machine to the TCP of a manipulator according to 3 in more detail, with the coupling being carried out via a bracket with a universal joint that can be locked.
- 5 shows the example 4th with unlocked universal joint and tilted grinding machine.
- 6th illustrates an isometric representation of a further example of a robot-assisted grinding device with a universal joint to compensate for angular errors.
- 7th FIG. 13 is a sectional view to illustrate a locking device (in the unlocked state) for fixing the universal joint in the exemplary embodiment according to FIG 6th .
- 8th shows the locking device 7th more detailed.
- 9 shows the example 7th , wherein the locking device locks the universal joint so that no tilting of the grinding machine relative to the TCP is possible.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Bevor verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert werden, wird zunächst ein Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von Oberflächenbearbeitung (z.B. Polieren, Fräsen, etc.) übertragbar und nicht auf Schleifen beschränkt ist.Before various exemplary embodiments of the present invention are explained in detail, an example of a robot-assisted grinding device will first be described. It goes without saying that the concepts described here can also be transferred to other types of surface processing (e.g. polishing, milling, etc.) and are not limited to grinding.
Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung einen Manipulator 1, beispielsweise einen Industrieroboter und eine Schleifmaschine 10 mit rotierendem Schleifwerkzeug (z.B. eine Orbitalschleifmaschine), wobei dieses mit dem sogenannten Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators 1 über eine Ausgleichsvorrichtung 20 gekoppelt ist, die im vorliegenden Beispiel als Linearaktor implementiert ist. Der TCP ist genau genommen kein Punkt, sondern ein Vektor und kann z.B. durch drei Raumkoordinaten und drei Winkel beschrieben werden. In der Robotik werden zur Beschreibung der Lage des TCPs manchmal auch generalisierte Koordinaten (meist sechs Gelenkwinkel des Roboters) im Konfigurationsraum verwendet. Position und Orientierung des TCPs werden manchmal auch als „Pose“ bezeichnet. Ganz allgemein ist die Ausgleichsvorrichtung 20 dazu ausgebildet, Veränderungen der Position der Lage des TCP relativ zur Werkstückoberfläche auszugleichen. Des Weiteren ist die Ausgleichsvorrichtung 20 dazu ausgebildet, eine Prozesskraft zwischen Werkzeugmaschine (im vorliegenden Beispiel die Schleifmaschine 10) und der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Im einfachsten Fall kann die Ausgleichsvorrichtung 20 eine Feder sein. Der oben erwähnte Linearaktor erlaubt eine präzise Regelung der Prozesskraft. Für eine Feedback-Regelung kann die Ausgleichsvorrichtung 20 ein Kraftmesssystem enthalten, das in der Lage ist, die Prozesskraft zu messen. Im Falle eines pneumatischen Linearaktors kann das Kraftmesssystem einen Drucksensor aufweisen, der den Luftdruck im Aktor misst, woraus die Prozesskraft ermittelt werden kann (unter Berücksichtigung der Charakteristik des Aktors). Jedoch ließe sich auch eine Feder mit einer Kraftmessdose (load cell) kombinieren. In diesem Fall müsste die Kraftregelung durch den Manipulator bewirkt werden.According to 1 the device comprises a manipulator 1 , for example, an industrial robot and a grinding machine 10 with a rotating grinding tool (e.g. an orbital grinding machine), whereby this is done with the so-called tool center point ( TCP ) of the manipulator 1 via a compensating device 20th is coupled, which is implemented in the present example as a linear actuator. The TCP Strictly speaking, it is not a point, but a vector and can be described, for example, by three spatial coordinates and three angles. In robotics, generalized coordinates (usually six joint angles of the robot) in the configuration space are sometimes used to describe the position of the TCP. The position and orientation of the TCP are sometimes referred to as a "pose". The balancing device is very general 20th trained to change the position of the location of the TCP to compensate relative to the workpiece surface. Furthermore is the balancing device 20th designed to generate a process force between the machine tool (in the present example the grinding machine 10 ) and the workpiece surface. In the simplest case, the compensation device 20th be a feather. The above-mentioned linear actuator allows precise control of the process force. The compensating device 20th contain a force measurement system capable of measuring the process force. In the case of a pneumatic linear actuator, the force measuring system can have a pressure sensor that measures the air pressure in the actuator, from which the process force can be determined (taking into account the characteristics of the actuator). However, a spring could also be combined with a load cell. In this case, the force control would have to be effected by the manipulator.
Die Funktion der Ausgleichsvorrichtung kann auch von dem Manipulator selbst bereitgestellt werden, wenn dieser in der Lage ist, eine Kraftregelung durchzuführen. Dazu benötigt der Roboter in der Regel Kraft-Momenten-Sensoren (Force-Torque-Sensors) und eine entsprechend aufwändige Regelung.The function of the compensation device can also be provided by the manipulator itself if it is able to carry out a force control. To do this, the robot usually needs force-torque sensors (Force-Torque- Sensors) and a correspondingly complex control.
Im Falle eines Industrieroboters mit sechs Freiheitsgraden kann der Manipulator aus vier Segmenten 2a, 2b, 2c und 2d aufgebaut sein, die jeweils über Gelenke 3a, 3b und 3c verbunden sind. Das erste Segment ist dabei meist starr mit einem Fundament 41 verbunden (was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein muss). Das Gelenk 3c verbindet die Segmente 2c und 2d. Das Gelenk 3c kann 2-achsig sein und eine Drehung des Segments 2c um eine horizontale Drehachse (Elevationswinkel) und eine vertikale Drehachse (Azimutwinkel) ermöglichen. Das Gelenk 3b verbindet die Segmente 2b und 2c und ermöglicht eine Schwenkbewegung des Segments 2b relativ zur Lage des Segments 2c. Das Gelenk 3a verbindet die Segmente 2a und 2b. Das Gelenk 3a kann 2-achsig sein und daher (ähnlich wie das Gelenk 3c) eine Schwenkbewegung in zwei Richtungen ermöglichen. Der TCP hat eine feste Relativposition zum Segment 2a, wobei dieses üblicherweise noch ein Drehgelenk (nicht dargestellt) umfasst, welches eine Drehbewegung um eine Längsachse A des Segments 2a ermöglicht (in 1 als strichpunktierte Line eingezeichnet, entspricht der Drehachse des Schleifwerkzeugs). Jeder Achse eines Gelenks ist ein Aktor zugeordnet, der eine Drehbewegung um die jeweilige Gelenksachse bewirken kann. Die Aktoren in den Gelenken werden von einer Robotersteuerung 4 gemäß einem Roboterprogramm angesteuert. Verschiedene Industrieroboter/Manipulatoren und dazugehörige Steuerungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.In the case of an industrial robot with six degrees of freedom, the manipulator can consist of four segments 2a , 2 B , 2c and 2d be constructed, each via joints 3a , 3b and 3c are connected. The first segment is usually rigid with a foundation 41 connected (but this does not necessarily have to be the case). The joint 3c connects the segments 2c and 2d . The joint 3c can be 2-axis and one rotation of the segment 2c around a horizontal axis of rotation (elevation angle) and a vertical axis of rotation (azimuth angle). The joint 3b connects the segments 2 B and 2c and allows the segment to pivot 2 B relative to the position of the segment 2c . The joint 3a connects the segments 2a and 2 B . The joint 3a can be 2-axis and therefore (similar to the joint 3c) allow pivoting in two directions. The TCP has a fixed position relative to the segment 2a , this usually also comprising a swivel joint (not shown), which rotates around a longitudinal axis A of the segment 2a enables (in 1 shown as a dot-dash line, corresponds to the axis of rotation of the grinding tool). Each axis of a joint is assigned an actuator that can cause a rotary movement about the respective joint axis. The actuators in the joints are controlled by a robot 4th controlled according to a robot program. Various industrial robots / manipulators and associated controls are known per se and are therefore not explained further here.
Der Manipulator 1 ist üblicherweise positionsgeregelt, d.h. die Robotersteuerung kann die Pose (Ort und Orientierung) des TCP festlegen und diesen entlang einer vordefinierten Trajektorie bewegen. In 1 ist die Längsachse des Segments 2a, auf der der TCP liegt mit A bezeichnet. Wenn der Aktor 20 an einem Endanschlag anliegt, ist mit der Pose des TCP auch die Pose der Schleifwerkmaschine 10 (und auch der Schleifscheibe 11) definiert. Wie eingangs bereits erwähnt, dient der Aktor 20 dazu, während des Schleifprozesses die Kontaktkraft (Prozesskraft) zwischen Werkzeug und Werkstück 40 auf einen gewünschten Wert einzustellen. Eine direkte Kraftregelung durch den Manipulator 1 ist für Schleifanwendungen in der Regel zu ungenau, da durch die hohe Massenträgheit der Segmente 2a-c des Manipulators 1 eine schnelle Kompensation von Kraftspitzen (z.B. beim Aufsetzen des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück 40) mit herkömmlichen Manipulatoren praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die Robotersteuerung 4 dazu ausgebildet, die Pose (Position und Orientierung) des TCP des Manipulators 1 zu regeln, während die Kraftregelung ausschließlich vom Aktor 20 bewerkstelligt wird.The manipulator 1 is usually position-controlled, ie the robot controller can adjust the pose (location and orientation) of the TCP and move it along a predefined trajectory. In 1 is the longitudinal axis of the segment 2a on which the TCP is denoted by A. When the actuator 20th rests against an end stop is with the pose of the TCP also the pose of the grinding machine 10 (and also the grinding wheel 11 ) Are defined. As already mentioned at the beginning, the actuator is used 20th in addition, the contact force (process force) between tool and workpiece during the grinding process 40 set to a desired value. A direct force control by the manipulator 1 is usually too imprecise for grinding applications because of the high inertia of the segments 2a-c of the manipulator 1 a quick compensation of force peaks (e.g. when placing the grinding tool on the workpiece 40 ) is practically impossible with conventional manipulators. Because of this, the robot controller 4th trained to adjust the pose (position and orientation) of the TCP of the manipulator 1 to regulate, while the force regulation exclusively by the actuator 20th is accomplished.
Wie bereits erwähnt, kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 mit Hilfe des (Linear-) Aktors 20 und einer Kraftregelung (die beispielsweise in der Steuerung 4 implementiert sein kann) so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft FK (in Richtung der Längsachse A) zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft FK ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft FA, mit der der Linearaktor 20 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werkstück 40 und Werkzeug fährt der Aktor 20 aufgrund der fehlenden Kontaktkraft am Werkstück 40 gegen einen Endanschlag (nicht dargestellt da im Aktor 20 integriert) und drückt mit einer definierten Kraft gegen diesen. In dieser Situation (kein Kontakt) ist die Aktorauslenkung a daher maximal (a=aMAX) und der Aktor 20 befindet sich in einer (äußeren) Endposition.As already mentioned, during the grinding process the contact force F K between the grinding tool and the workpiece 40 with the help of the (linear) actuator 20th and a force control (for example in the control 4th can be implemented) can be set so that the contact force F K (in the direction of the longitudinal axis A) between the grinding tool and workpiece 40 corresponds to a predefinable setpoint. The contact force F K is a reaction to the actuator force F A with which the linear actuator 20th presses on the workpiece surface. If there is no contact between the workpiece 40 and the actuator moves the tool 20th due to the lack of contact force on the workpiece 40 against an end stop (not shown in the actuator 20th integrated) and presses against it with a defined force. In this situation (no contact) the actuator deflection a is therefore maximum (a = a MAX ) and the actuator 20th is in an (outer) end position.
Die Positionsregelung des Manipulators 1 (die ebenfalls in der Steuerung 4 implementiert sein kann) kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung des Aktors 20 arbeiten. Der Aktor 20 ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 10, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft FK während des Schleifprozesses und zur Erkennung von Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Ein Kontakt kann z.B. in einfacher Weise dadurch erkannt werden, dass der Aktor sich aus der Endposition wegbewegt hat (Aktorauslenkung a ist kleiner als die maximale Auslenkung aMAX am Endanschlag).The position control of the manipulator 1 (which are also in the control 4th can be implemented) can be completely independent of the force control of the actuator 20th work. The actuator 20th is not responsible for the positioning of the grinder 10 but only for setting and maintaining the desired contact force F K during the grinding process and for detecting contact between tool and workpiece. A contact can, for example, easily be recognized by the fact that the actuator has moved away from the end position (actuator deflection a is less than the maximum deflection a MAX at the end stop).
Der Aktor kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylinder und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Betracht. Es versteht sich, dass die Wirkrichtung des Aktors 20 nicht notwendigerweise mit der Längsachse A des Segments 2a des Manipulators zusammenfallen muss. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils, eines Reglers (implementiert in der Steuerung 4) und eines Druckluftspeichers realisiert werden. Da für die Berücksichtigung der Schwerkraft (d.h. der Gewichtskraft der Schleifmaschine 10) die Neigung zur Lotrechten relevant ist, kann der Aktor 20 einen Neigungssensor enthalten. Die gemessene Neigung wird von dem Kraftregler berücksichtigt. Die konkrete Implementierung der Kraftregelung ist an sich bekannt und für die weitere Erläuterung nicht wichtig und wird daher auch nicht detaillierter beschrieben.The actuator can be a pneumatic actuator, for example a double-acting pneumatic cylinder. However, other pneumatic actuators can also be used, such as bellows cylinders and air muscles. As an alternative, electrical direct drives (gearless) can also be considered. It goes without saying that the effective direction of the actuator 20th not necessarily with the longitudinal axis A of the segment 2a of the manipulator must coincide. In the case of a pneumatic actuator, the force control can be implemented in a manner known per se with the aid of a control valve, a controller (implemented in the control 4th ) and a compressed air storage tank. As for the consideration of gravity (ie the weight of the grinding machine 10 ) the inclination to the perpendicular is relevant, the actuator can 20th contain a tilt sensor. The measured inclination is taken into account by the force regulator. The specific implementation of the force control is known per se and is not important for the further explanation and is therefore not described in more detail.
Die Schleifmaschine 10 hat üblicherweise einen Elektromotor, der die Schleifscheibe 11 antreibt. Bei einer Orbitalschleifmaschine ist die Schleifscheibe 11 an einer Trägerplatte (Schleifteller 12) montiert, die wiederum mit der Motorwelle des Elektromotors verbunden ist. Als Elektromotoren kommen Asynchronmotoren oder Synchronmotoren in Betracht. Synchronmotoren haben den Vorteil, dass sich die Drehzahl nicht mit der Belastung ändert (sondern lediglich der Schlupfwinkel), wohingegen bei Asynchronmaschinen die Drehzahl bei steigender Belastung sinkt. Die Belastung des Motors ist dabei im Wesentlichen proportional zur Kontaktkraft FK und der Reibung zwischen der Schleifscheibe 11 und der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 40.The grinding machine 10 usually has an electric motor that drives the grinding wheel 11 drives. On an orbital grinder, the grinding wheel is 11 on a carrier plate (sanding pad 12th ) assembled, which in turn is connected to the motor shaft of the electric motor. Asynchronous motors or synchronous motors come into consideration as electric motors. Synchronous motors have the advantage that the speed does not change with the load (only the slip angle), whereas with asynchronous machines the speed decreases with increasing load. The load on the motor is essentially proportional to the contact force F K and the friction between the grinding wheel 11 and the surface of the workpiece to be machined 40 .
Alternativ zu Schleifmaschinen mit elektrischem Antrieb können auch Schleifmaschinen mit pneumatischem Motor (Druckluftmotor) verwendet werden. Mit Druckluft betriebene Schleifmaschinen können relativ kompakt gebaut werden, da Druckluftmotoren in der Regel ein geringes Leistungsgewicht aufweisen. Eine Drehzahlregelung ist mittels eines (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuertes) Druckregelventils einfach möglich (zusätzlich oder alternativ auch mittels einer Drossel), wohingegen bei Synchron- und Asynchronmotoren (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuerte) Frequenzumrichter für die Drehzahlsteuerung benötigt werden. Die hier beschriebenen Konzepte können mit einer Vielzahl unterschiedlicher Arten von Schleifmaschinen, Poliermaschinen und anderen Maschinen zur Oberflächenbearbeitung implementiert werden.As an alternative to grinding machines with an electric drive, grinding machines with a pneumatic motor (compressed air motor) can also be used. Grinding machines operated with compressed air can be built relatively compactly, since compressed air motors usually have a low power to weight ratio. A speed control is by means of a (e.g. from the control 4th electrically controlled) pressure control valve is easily possible (additionally or alternatively also by means of a throttle), whereas with synchronous and asynchronous motors (e.g. from the controller 4th electrically controlled) frequency converters are required for speed control. The concepts described here can be implemented with a variety of different types of grinding, polishing, and other surface finishing machines.
Wie erwähnt, bewegt der Manipulator 1 den TCXP (und damit die Schleifmaschine 10) entlang einer vordefinierten Trajektorie, die der Oberfläche (Kontur) des Werkstücks folgt. In der Praxis können Situationen auftreten, in denen der TCP der Oberfläche nicht genau folgt und Winkelabweichungen auftreten. Diese Winkelabweichungen können einerseits eine Folge von Lagetoleranzen des Werkstücks 40 oder einer (absichtlich oder unabsichtlich) ungenauen Programmierung der Trajektorie sein. 2 zeigt ein Beispiel einer Situation, in der die Trajektorie x(t) nicht parallel zur Werkstückoberfläche liegt, sondern um einen Winkel ϕ verkippt ist. Damit ist auch der TCP relativ zur Oberflächennormalen um den Winkel ϕ verkippt, d.h. die Wirkrichtung des Aktors 20 steht nicht rechtwinklig zur Werkstückoberfläche, sondern in einem Winkel von 90°-ϕ. Gemäß 1 hat der Aktor 20 zum Zeitpunkt to bei einer TCP-Position x(t0) eine Auslenkung von a(to). Zu einem Zeitpunkt t1 hat sich der TCP (und damit die ganze Schleifmaschine 10 samt Aktor 20) zur Position x(t1) weiterbewegt, was eine Verschiebung von Δx= x(t1)-x(t0) bedeutet. Aufgrund der Verkippung um den Winkel ϕ hat sich die Auslenkung des Aktors 20 um Δa reduziert (Δa=a(t1)-a(t0)). Die Werte Δx und Δa sind der Robotersteuerung bekannt und somit kann der Winkel der (lokalen) Verkippung zwischen Werkstückoberfläche und TCP-Trajektorie berechnet werden:
Alternativ ist auch eine Messung des Winkels möglich, z.B. durch eine Messung des Abstands zwischen TCP und der Werkstückoberfläche auf gegenüberliegenden Seiten der Schleifmaschine. Aus der Differenz der gemessenen Abstände lässt sich der Winkel der Verkippung ermitteln. Wie erwähnt ist eine Messung jedoch nicht unbedingt nötig, da der Winkel aus Größen (z.B. Δa und Δx), die der Robotersteuerung ohnehin bekannt sind, berechnet werden kann. In dem eingangs erwähnten Beispiel, in dem die Funktion des Linearaktors (Ausgleichseinrichtung) von dem Manipulator selbst bereitgestellt wird, „weiß“ die Robotersteuerung beide Größen Δa und Δx, da ja die Bewegungskomponente, die von dem Linearaktor durchgeführt wird, in diesem Fall vom Roboter selbst durchgeführt werden muss.As mentioned, the manipulator moves 1 the TCXP (and with it the grinding machine 10 ) along a predefined trajectory that follows the surface (contour) of the workpiece. In practice, situations may arise in which the TCP does not follow the surface exactly and angular deviations occur. On the one hand, these angular deviations can be a consequence of positional tolerances of the workpiece 40 or an inaccurate (intentional or unintentional) programming of the trajectory. 2 shows an example of a situation in which the trajectory x (t) is not parallel to the workpiece surface, but is tilted by an angle ϕ. So that's the one too TCP tilted relative to the surface normal by the angle ϕ, ie the effective direction of the actuator 20th is not at right angles to the workpiece surface, but at an angle of 90 ° -ϕ. According to 1 the actuator has 20th at time to at a TCP position x (t 0 ) a deflection of a (to). At a point in time t 1 , the TCP (and with it the whole grinding machine 10 including actuator 20th ) to the position x (t 1 ) moved further, which means a shift of Δx = x (t 1 ) -x (t 0 ). Due to the tilting by the angle ϕ, the actuator has been deflected 20th reduced by Δa (Δa = a (t 1 ) -a (t 0 )). The values Δx and Δa are known to the robot controller and the angle of the (local) tilt between the workpiece surface and the TCP trajectory can be calculated: Alternatively, measurement of the angle is also possible, for example by measuring the distance between TCP and the workpiece surface on opposite sides of the grinding machine. The tilt angle can be determined from the difference between the measured distances. As mentioned, however, a measurement is not absolutely necessary, since the angle can be calculated from variables (eg Δa and Δx) that are already known to the robot controller. In the example mentioned at the beginning, in which the function of the linear actuator (compensation device) is provided by the manipulator itself, the robot controller “knows” both variables Δa and Δx, since the movement component performed by the linear actuator is, in this case, the robot must be carried out by yourself.
Wie erwähnt ist der Winkel ϕ der Verkippung zwischen Werkstückoberfläche und TCP-Trajektorie gleich der Winkelabweichung des Wirkrichtung des Aktors 20 (und damit der Richtung der Prozesskraft) von der Oberflächennormalen. Nach einer Berechnung der Winkelabweichung ϕ (z.B. gemäß Gleichung 1) kann die Robotersteuerung die Pose des TCP so korrigieren, dass die Prozesskraft im rechten Winkel auf die Oberfläche wirkt. Diese Situation ist in 2 rechts dargestellt, in der der TCP an die Position x(t2) weiterbewegt und die Winkelabweichung ϕ korrigiert wurde. 2 zeigt ein vereinfachtes Beispiel mit einer eindimensionalen Roboterbewegung. Diese Winkelkorrektur kann auch in mehrere Raumrichtungen erfolgen.As mentioned, the angle ϕ of the tilt between the workpiece surface and the TCP trajectory is equal to the angular deviation of the effective direction of the actuator 20th (and thus the direction of the process force) from the surface normal. After calculating the angular deviation ϕ (e.g. according to equation 1), the robot controller can set the pose of the TCP Correct so that the process force acts on the surface at a right angle. This situation is in 2 shown on the right, in which the TCP to the position x (t2) moved further and the angular deviation ϕ has been corrected. 2 shows a simplified example with a one-dimensional robot movement. This angle correction can also take place in several spatial directions.
2 illustriert die „aktive“ Ermittlung und Korrektur von Winkelabweichungen durch die Robotersteuerung. Das Beispiel in 3 illustriert einen „passiven“ Ansatz, bei dem die Schleifmaschine 10 (inklusive Aktor 20) schwenkbar zur Orientierung des TCPs an diesem „aufgehängt“ ist. Beispielsweise kann eine Halterung 30 mit einer Art Kreuzgelenk (cardan joint) für die Aufhängung verwendet werden, um eine Verkippung in zwei Richtungen (in Vorschubrichtung und quer zur Vorschubrichtung, d.h. entlang der Trajektorie und quer dazu) zu ermöglichen. Dadurch, dass der Aktor 20 die Schleifmaschine 10 und damit die Schleifscheibe 11 mit definierter (Aktor-) Kraft gegen die Oberfläche des Werkstücks 40 drückt, wird sich die Schleifmaschine 10 „automatisch“ (passiv, ohne aktive Positionierung) parallel zur Oberflächennormalen Ns ausrichten, sodass die Kontaktkraft FK normal auf die Oberfläche wirkt. Winkelfehler können somit ausgeglichen werden, ohne dass die Robotersteuerung davon wissen muss; die TCP-Orientierung NT kann dabei unverändert bleiben und muss nicht aktiv angepasst werden. Änderungen des Normalabstandes zwischen Oberfläche und TCP werden durch den Aktor 20 und die Kraftregelung ebenso „automatisch“ ausgeglichen, da der Kraftregler den Aktor 20 immer so ansteuert, dass die Kontaktkraft FK einer Soll-Kraft entspricht. 2 illustrates the "active" determination and correction of angular deviations by the robot controller. The example in 3 illustrates a “passive” approach in which the grinder 10 (including actuator 20th ) can be pivoted to orientate the TCP "suspended" from it. For example, a bracket 30th with a type of universal joint (cardan joint) can be used for the suspension in order to enable tilting in two directions (in the feed direction and transversely to the feed direction, ie along the trajectory and across it) By having the actuator 20th the grinder 10 and with it the grinding wheel 11 with a defined (actuator) force against the surface of the workpiece 40 presses, the grinder will turn 10 "Automatically" (passive, without active positioning) parallel to the surface normal Ns align so that the contact force F K acts normally on the surface. Angular errors can thus be compensated for without the robot controller having to know about it; the TCP orientation N T can remain unchanged and does not have to be actively adjusted. Changes in the normal distance between surface and TCP are through the actuator 20th and the force control also "automatically" balanced, since the force regulator controls the actuator 20th always controls so that the contact force F K corresponds to a target force.
Die Kopplung des TCPs des Roboters mit der Baugruppe, umfassend die Schleifmaschine 10 und den Aktor 20, ist in 4 und 5 detaillierter dargestellt. Wie erwähnt erfolgt diese Kopplung mittels einer Halterung 30, die eine Art Kreuzgelenk aufweist, sodass die Schleifmaschine 10 samt Aktor 20 relativ zur Orientierung NT des TCPs um zwei Achsen Rx, Ry verkippbar ist, wobei in einer Nullposition (keine Verkippung) die beiden Achsen Rx, Ry senkrecht aufeinander stehen und beide Achsen Rx, Ry senkrecht zur Orientierung NT des TCPs liegen. Gemäß dem dargestellten Beispiel weist die Halterung 30 einen L-förmigen Montagewinkel 31 (L-shaped bracket) auf, wobei eine Basisplatte 31a und ein Ausleger 31b die beiden Schenkel des Montagewinkels 31 bilden. Die Basisplatte 31a ist starr mit dem TCP des Roboters 1 (z.B. mittels Schraubverbindungen) verbunden, wobei der Ausleger 31b (im nicht verkippten Zustand) im Wesentlichen parallel zur Orientierung NT des TCPs liegt. Die Oberseite der Basisplatte liegt in diesem Fall an der Stirnseite des Armsegmentes 2a des Roboters 1 an, wohingegen im Beispiel gemäß 1, die obere Montageplatte 22 (Flansch) des Aktors 20 direkt mit dem Manipulator gekoppelt ist. Im dargestellten Beispiel schließen Ausleger 31b und Basisplatte 31a einen rechten Winkel ein.The coupling of the robot's TCP with the assembly, including the grinding machine 10 and the actuator 20th , is in 4th and 5 shown in more detail. As mentioned, this coupling takes place by means of a holder 30th that has a kind of universal joint so that the grinding machine 10 including actuator 20th relative to orientation N T of the TCP around two axes R x , R y is tiltable, whereby in a zero position (no tilting) the two axes R x , R y are perpendicular to each other and both axes R x , R y perpendicular to the orientation N T of the TCP. According to the example shown, the holder 30th an L-shaped mounting bracket 31 (L-shaped bracket), with a base plate 31a and a boom 31b the two legs of the mounting bracket 31 form. The base plate 31a is rigid with that TCP of the robot 1 (eg by means of screw connections) connected, the boom 31b (in the non-tilted state) essentially parallel to the orientation N T of the TCP. In this case, the top of the base plate is on the face of the arm segment 2a of the robot 1 on, whereas in the example according to 1 , the upper mounting plate 22nd (Flange) of the actuator 20th is directly coupled to the manipulator. In the example shown, booms close 31b and base plate 31a a right angle.
Die erste Drehachse Rx des erwähnten Kreuzgelenks verläuft durch den Ausleger 31b, an dem ein weiterer Montagewinkel 32 (bracket) drehbar (um die Drehachse Rx) gelagert ist. Ein erster Schenkel des Montagewinkel 32 (in 4 und 5 nicht sichtbar) ist drehbar an dem Ausleger 31b gelagert; und an dem zweiten Schenkel des Montagewinkel 32, der rechtwinklig von dem Ausleger 31b absteht, ist ein dritter Montagewinkel 33 (oder eine Montageleiste, mounting bar) drehbar (um die Drehachse Ry ) gelagert. Der dritte Montagewinkel 33 kann somit sowohl um die Drehachse Rx als auch um die Drehachse Ry gekippt werden, wodurch ein Kreuzgelenk gebildet wird. Der Aktor 20 ist mit seiner oberen Montageplatte 22 so mit dem Montagewinkel 33 verbunden, dass (im nicht verkippten Zustand) die Wirkrichtung des Aktors 20 (und damit auch die Rotationsachse der Schleifscheibe 11) koaxial zur Orientierung NT des TCPs ist. Die Schleifmaschine 10 ist mit der unteren Montageplatte 21 (Flansch) des Aktors 22 verbunden (z.B. mittels einer Schraubverbindung). Die Drehachsen Rx und Ry schneiden einander unterhalb der Basisplatte 31a. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann der Schnittpunkt der Drehachsen Rx und Ry oberhalb der Schleifmaschine 10 liegen, also im Inneren des Aktors 20. In anderen Beispielen kann der Schnittpunkt weiter unten liegen, also im Inneren der Schleifmaschine 10.The first axis of rotation R x of the aforementioned universal joint runs through the boom 31b on which another mounting bracket 32 (Bracket) is rotatably mounted (about the axis of rotation R x ). A first leg of the mounting bracket 32 (in 4th and 5 not visible) is rotatable on the boom 31b stored; and on the second leg of the mounting bracket 32 that is at right angles from the boom 31b protrudes is a third mounting bracket 33 (or a mounting bar) rotatable (around the axis of rotation R y ) stored. The third mounting bracket 33 can thus both around the axis of rotation R x and around the axis of rotation R y be tilted, creating a universal joint. The actuator 20th is with its upper mounting plate 22nd so with the mounting bracket 33 connected that (in the not tilted state) the effective direction of the actuator 20th (and thus also the axis of rotation of the grinding wheel 11 ) coaxial for orientation N T of the TCP. The grinding machine 10 is with the lower mounting plate 21st (Flange) of the actuator 22nd connected (e.g. by means of a screw connection). The axes of rotation R x and R y intersect each other below the base plate 31a . According to the example shown, the intersection of the axes of rotation R x and R y above the grinding machine 10 lie, i.e. inside the actuator 20th . In other examples, the point of intersection can be further down, i.e. inside the grinding machine 10 .
Wie in 3 dargestellt kann sich die Schleifmaschine 10 „automatisch“ der Werkstückoberfläche durch Verkippen um die Drehachsen Rx und Ry anpassen, wenn die Schleifmaschine 10 mit der Schleifscheibe 11 gegen die Werkstückoberfläche gedrückt wird. Es gibt jedoch Situationen, in denen diese Verkippung nicht gewünscht ist. Gemäß dem in 4 und 5 dargestellten Beispiel ist zwischen der Oberseite des Aktors 20 (obere Montageplatte 22) und der Unterseite der Basisplatte 31a ein Verriegelungsmechanismus (locking mechanism) vorgesehen, der dazu geeignet ist, die Halterung 30 zu verriegeln, sodass eine Verkippung um die Drehachsen Rx und Ry nicht mehr möglich ist und die Schleifmaschine 10 starr (nicht bewegbar/verkippbar) mit dem TCP des Roboters 1 gekoppelt ist.As in 3 the grinding machine can be shown 10 “Automatically” the workpiece surface by tilting around the axes of rotation R x and R y customize if the grinder 10 with the grinding wheel 11 is pressed against the workpiece surface. However, there are situations in which this tilting is not desired. According to the in 4th and 5 example shown is between the top of the actuator 20th (upper mounting plate 22nd ) and the underside of the base plate 31a a locking mechanism is provided which is suitable for the bracket 30th to lock, so that a tilting around the axes of rotation R x and R y is no longer possible and the grinding machine 10 rigid (cannot be moved / tilted) with the TCP of the robot 1 is coupled.
Gemäß dem in 4 und 5 dargestellten Beispiel umfasst der Verriegelungsmechanismus einen Aktor 53, der beispielsweise an der Oberseite des Aktors 20 befestigt ist und der einen Riegel (latch) aufweist. Dieser Riegel ist dazu ausgebildet - in einem ausgefahrenen Zustand des Aktors 53 - in eine korrespondierende Vertiefung 51 in der Unterseite der Basisplatte 31a einzugreifen und auf diese Weise den Aktor 20 an der Basisplatte 31a zu fixieren. Der Aktor 53 kann z.B. ein pneumatischer Aktor oder ein Magnetaktor (solenoid actuator) sein, der dazu geeignet ist, den Riegel 52 zwischen einer eingefahrenen Endposition (entriegelter Zustand) und einer ausgefahrenen Endposition (verriegelter Zustand) hin- und her zubewegen.According to the in 4th and 5 In the illustrated example, the locking mechanism comprises an actuator 53 , for example at the top of the actuator 20th is attached and which has a latch. This latch is designed for this - when the actuator is in an extended state 53 - in a corresponding recess 51 in the bottom of the base plate 31a intervene and in this way the actuator 20th on the base plate 31a to fix. The actuator 53 can for example be a pneumatic actuator or a solenoid actuator, which is suitable for the bolt 52 to move back and forth between a retracted end position (unlocked state) and an extended end position (locked state).
Die Vertiefung 51 kann eine in Bezug auf die Längsachse des Aktors 20 (und der Drehachse der Schleifmaschine 10 im nicht verkippten Zustand) symmetrische Form aufweisen. Beispielsweise kann die Vertiefung eine konische, zylindrische oder pyramidenförmige Form oder die Form eines Kugelsegments (konkave Formen) aufweisen. Der Riegel 52 hat ebenso eine symmetrische (konvexe) Form aufweisen (z.B. zylindrisch, Kugelsegment, pyramidenförmig, etc.). Die konkrete Form ist nicht wichtig; die symmetrische Ausgestaltung von Vertiefung 51 und Riegel 52 kann allerdings so konstruiert sein, dass der Aktor 20 und die Schleifmaschine 10 (d.h. deren Drehachse) „automatisch“ koaxial zum TCP (Normalvektor NT ) ausgerichtet werden, wenn der Aktor 53 die Riegel 52 in die Vertiefung 51 drückt. Dier Verriegelungsmechanismus ist demnach selbstausrichtend (self-aligning).The depression 51 can be one with respect to the longitudinal axis of the actuator 20th (and the axis of rotation of the grinding machine 10 when not tilted) have a symmetrical shape. For example, the recess can have a conical, cylindrical or pyramidal shape or the shape of a spherical segment (concave shapes). The latch 52 also has a symmetrical (convex) shape (e.g. cylindrical, spherical segment, pyramidal, etc.). The specific form is not important; the symmetrical design of the recess 51 and latch 52 can, however, be constructed so that the actuator 20th and the grinder 10 (ie its axis of rotation) "automatically" coaxial to the TCP (Normal vector N T ) when the actuator 53 the latch 52 into the recess 51 presses. The locking mechanism is therefore self-aligning.
Im linken Teil des 4 ist die Vorrichtung im entriegelten Zustand dargestellt (d.h. Aktor 20 und Schleifmaschine 10 können verkippt werden); im rechten Teil des 4 ist die Vorrichtung im verriegelten Zustand dargestellt (d.h. Aktor 20 und Schleifmaschine 10 sind starr mit dem TCP gekoppelt). Eine Verriegelung kann insbesondere in Situationen wünschenswert sein, in denen die Schleifscheibe 11 absichtlich nicht tangential auf der Werkstückoberfläche aufliegen soll, beispielsweise beim Schleifen von schmalen Kanten. Des Weiteren kann eine Verriegelung wünschenswert sein, wenn der Roboter 1 die Schleifmaschine 10 in eine Wechselstation bewegt, um die Schleifscheibe 11 abzuziehen und eine neue Schleifscheibe 11 zu montieren. Geeignete Wechselstationen zum automatischen Wechseln von Schleifscheiben 11 sind an sich bekannt.In the left part of the 4th the device is shown in the unlocked state (ie actuator 20th and grinding machine 10 can be tilted); in the right part of the 4th the device is shown in the locked state (ie actuator 20th and grinding machine 10 are rigid with that TCP coupled). A lock may be particularly desirable in situations where the grinding wheel 11 deliberately should not lie tangentially on the workpiece surface, for example when grinding narrow edges. Furthermore, an interlock may be desirable when the robot 1 the grinder 10 moved to a changing station to the grinding wheel 11 peel off and a new grinding wheel 11 to assemble. Suitable changing stations for the automatic changing of grinding wheels 11 are known per se.
Der Riegel 52 und die Vertiefung 51 können auch so geformt sein, dass die Kanten der Vertiefung 51 für den Riegel 52 einen Anschlag (stop collar) bilden, der den Kippwinkel ϕ auf einen maximalen Kippwinkel ϕMAX begrenzt. Der linke Teil der 5 ist praktisch identisch mit dem linken Teil der 4. Der rechte Teil der 5 zeigt die Schleifmaschine 10 und den Aktor 20 in einer gekippten Position, in der der Riegel 52 an einer Kante der Vertiefung 51 (die den erwähnten Anschlag bildet) anliegt. In der dargestellten Situation entspricht der Kippwinkel dem maximalen Kippwinkel ϕMAX.The latch 52 and the depression 51 can also be shaped so that the edges of the recess 51 for the latch 52 Form a stop (stop collar) that limits the tilt angle ϕ to a maximum tilt angle ϕ MAX . The left part of the 5 is practically identical to the left part of the 4th . The right part of the 5 shows the grinding machine 10 and the actuator 20th in a tilted position in which the latch 52 at one edge of the recess 51 (which forms the mentioned stop) is applied. In the situation shown, the tilt angle corresponds to the maximum tilt angle ϕ MAX .
6 ist eine isometrische Darstellung eines weiteren Beispiels einer robotergestützten Schleifvorrichtung mit einem Kreuzgelenk zum Ausgleich von Winkelfehlern. Dargestellt ist die Schleifmaschine 10 mit der Trägerscheibe 12, auf der eine Schleifscheibe montiert werden kann. Die Schleifmaschine 10 ist mit der unteren Montageplatte 21 des Aktors 20 verbunden (z.B. mittels Schraubverbindungen); an der oberen Montageplatte 22 des Aktors 20 ist ein erster Schenkel des Montagewinkels 33 verbunden (z.B. ebenfalls mittels Schraubverbindungen). Ein zweiter Schenkel des Montagewinkels 33 ist um die Drehachse Ry schwenkbar mit dem Montagewinkel 32 (in 6 durch den Aktor 20 verdeckt, siehe 5) verbunden, und der Montagewinkel 32 ist wiederum um die Drehachse Rx schwenkbar mit dem Ausleger 31b des Montagewinkels 31 verbunden. Die Basisplatte 31a des Montagewinkels 31 liegt im nicht verkippten Zustand im Wesentlichen parallel zur Montageplatte 22 des Aktors 20. Die beiden Drehachsen Rx und Ry können einen rechten Winkel einschließen, wodurch ein Kreuzgelenk gebildet wird wie es bereits weiter oben unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben wurde. Wie in 6 dargestellt, können an dem Montagewinkel 31 (z.B. am Ausleger 31b) ein oder mehrere Schläuche und/oder Kabel befestigt sein, die an der Schleifmaschine 10 angeschlossen sind. Der in 6 gezeigte Schlauch 15 kann z.B. der Absaugung von Staub dienen. Die Kabel dienen unter anderem der Versorgung des Elektromotors der Schleifmaschine. In 6 sind auch die Schrauben 310 zu erkennen, mit denen der Montagewinkel 31 am TCP eines Manipulators befestigt werden kann. 6th Figure 3 is an isometric view of another example of a robotic sander having a universal joint to compensate for angular errors. The grinding machine is shown 10 with the carrier disk 12th on which a grinding wheel can be mounted. The grinding machine 10 is with the lower mounting plate 21st of the actuator 20th connected (e.g. by means of screw connections); on the upper mounting plate 22nd of the actuator 20th is a first leg of the mounting bracket 33 connected (e.g. also by means of screw connections). A second leg of the mounting bracket 33 is around the axis of rotation R y swiveling with the mounting bracket 32 (in 6th by the actuator 20th covered, see 5 ) connected, and the mounting bracket 32 is in turn pivotable about the axis of rotation R x with the boom 31b of the mounting bracket 31 connected. The base plate 31a of the mounting bracket 31 is essentially parallel to the mounting plate when it is not tilted 22nd of the actuator 20th . The two axes of rotation R x and R y can enclose a right angle, thereby forming a universal joint as already described above with reference to FIG 4th and 5 has been described. As in 6th shown can be attached to the mounting bracket 31 (e.g. on the boom 31b ) one or more hoses and / or cables attached to the grinding machine 10 are connected. The in 6th shown hose 15th can, for example, be used to extract dust. The cables are used, among other things, to supply the grinding machine's electric motor. In 6th are the screws too 310 to recognize with which the mounting bracket 31 at the TCP a manipulator can be attached.
7 illustriert die Vorrichtung aus 6 in einer Seitenansicht, mit einem teilweisen Längsschnitt, sodass der oben bereits unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschriebene Verriegelungsmechanismus zu sehen ist. Des Weiteren ist in dieser Ansicht der Montagewinkel 32 zu sehen. 8 ist eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils der 7. In der dargestellten Situation ist der Aktor 53 eingefahren und der Riegel 53 daher an seiner unteren Endposition. Schleifmaschine 10 und Aktor 20 sind um den maximalen Winkel ϕMAX um die Achse Ry verkippt, sodass die (symmetrische und konvexe) Ausbuchtung 521 des Riegels 52 an einer Kante der (konkaven) Ausnehmung des Bauelements 50 anliegt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist in diesem Beispiel die Ausnehmung 51 nicht direkt in der Basisplatte 31 angeordnet, sondern in dem Bauelement 50, welches das Gegenstück zum Riegel 52 bildet und das mit der Basisplatte 31a verbunden ist. In anderen Ausführungsformen können das Gegenstück 50 und die Basisplatte 31a jedoch auch eine integrale Komponente sein. In manchen Anwendungen kann es allerdings nützlich sein, das Bauelement 50 mit der Ausnehmung 51 austauschbar zu gestalten, um die Vorrichtungen mit verschiedenen Bauelementen 50 mit jeweils unterschiedlich geformten Ausnehmungen 51 zu verwenden. Durch eine Variation des Bauelements 50 kann z.B. der maximale Kippwinkel ϕMAX angepasst werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung mit unterschiedlichen Aktoren 20 und Schleifmaschinen 10 betrieben werden, wenn die Geometrie des Bauelements 50 an die Abmessungen von Aktor 20 und Schleifmaschine 10 angepasst werden kann. 7th illustrates the device from 6th in a side view, with a partial longitudinal section, so that the above already with reference to 4th and 5 locking mechanism described can be seen. Furthermore, the mounting bracket is in this view 32 to see. 8th FIG. 13 is an enlarged view of the upper part of FIG 7th . In the situation shown is the actuator 53 retracted and the bolt 53 therefore at its lower end position. Grinding machine 10 and actuator 20th are at the maximum angle ϕ MAX around the axis R y tilted so that the (symmetrical and convex) bulge 521 of the bolt 52 at one edge of the (concave) recess of the component 50 is applied. For manufacturing reasons, the recess is in this example 51 not directly in the base plate 31 arranged, but in the component 50 , which is the counterpart to the latch 52 forms and that with the base plate 31a connected is. In other embodiments, the counterpart 50 and the base plate 31a but also be an integral component. In some applications, however, it can be useful to use the component 50 with the recess 51 interchangeable to make the devices with different components 50 each with differently shaped recesses 51 to use. By a variation of the component 50 For example, the maximum tilt angle ϕ MAX can be adjusted. Furthermore, the device can be equipped with different actuators 20th and grinding machines 10 operated when the geometry of the component 50 to the dimensions of the actuator 20th and grinding machine 10 can be customized.
9 zeigt das gleiche Beispiel wie in 7, wobei der Aktor 53 ausgefahren ist und der Riegel 52 so in die Ausnehmung 51 des Bauelements 50 eingreift, dass eine Kippbewegung der Schleifmaschine 10 und des Aktors 20 nicht mehr möglich ist. In diesem Zustand sind Schleifmaschine 10 und Aktor 20 starr mit dem TCP des Roboters 1 gekoppelt. 9 shows the same example as in 7th , where the actuator 53 is extended and the latch 52 so in the recess 51 of the component 50 intervenes that a tilting movement of the grinding machine 10 and the actuator 20th is no longer possible. Grinding machines are in this condition 10 and actuator 20th rigid with that TCP of the robot 1 coupled.
In 7 bis 9 ist auch gut zu erkennen, dass der Schnittpunkt der Drehachsen Rx und Ry deutlich unterhalb der Basisplatte 31a im Inneren des Aktors 20 oder im Inneren der Schleifmaschine 10 liegt. Im Betrieb (d.h. wenn die Schleifmaschine die Werkstückoberfläche berührt, richtet sich die Längsachse der Schleifmaschine 10 (und somit auch die Wirkrichtung des Aktors 20) normal zur Werkstückoberfläche aus und es stellt sich ein Kippwinkel ϕ < ϕMAX zwischen der Oberflächennormalen Ns und der Orientierung NT des TCPs ein. Sofern der Kippwinkel den Maximalwert ϕMAX erreicht, ist nicht mehr sichergestellt, dass die Längsachse der Schleifmaschine 10 im Wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche steht (und somit die Schleifscheibe tangential an der Oberfläche anliegt).In 7th to 9 it is also easy to see that the intersection of the axes of rotation R x and R y well below the base plate 31a inside the actuator 20th or inside the grinding machine 10 lies. During operation (ie when the grinding machine touches the workpiece surface, the longitudinal axis of the grinding machine is aligned 10 (and thus also the effective direction of the actuator 20th ) normal to the workpiece surface and there is a tilt angle ϕ <sich MAX between the surface normal Ns and orientation N T of the TCP. If the tilt angle reaches the maximum value ϕ MAX , it is no longer ensured that the longitudinal axis of the grinding machine 10 is essentially perpendicular to the workpiece surface (and thus the grinding wheel is tangential to the surface).
In manchen Anwendungen kann es Sinn machen, die Kippwinkel um die Drehachsen Rx und Ry zu messen und/oder zu detektieren, wann der maximale Winkel ϕMAX erreicht wurde und der Riegel 52 das Bauelement 50 berührt. Basierend auf dieser Information kann die Robotersteuerung verschiedene Maßnahmen ergreifen wie z.B. die Schleifmaschine anheben bis der Kontakt zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückoberfläche gelöst wird. Dazu können beispielsweise mit den Drehgelenken mit den Drehachsen Rx und Ry Winkelsensoren gekoppelt sein, welche der Steuerung 4 die Information über die tatsächlichen Kippwinkel liefern. Die Winkelsensoren sind in den Abbildungen nicht dargestellt. Es ist einem Fachmann jedoch bekannt, wie an einem Drehgelenk der Winkel, den die drehbaren Teile zueinander einschließen, gemessen werden kann, weshalb die Sensorik hier nicht weiter diskutiert wird.In some applications it can make sense to adjust the tilt angles around the axes of rotation R x and R y to measure and / or to detect when the maximum angle ϕ MAX was reached and the bolt 52 the component 50 touched. Based on this information, the robot controller can take various measures, such as lifting the grinding machine until the contact between the grinding tool and the workpiece surface is broken. For this purpose, for example, with the swivel joints with the axes of rotation R x and R y Angle sensors are coupled to the controller 4th provide information about the actual tilt angle. The angle sensors are not shown in the figures. However, a person skilled in the art knows how the angle that the rotatable parts enclose to one another can be measured on a rotary joint, which is why the sensor system is not discussed further here.
Des Weiteren sei angemerkt, dass der „aktive“ Ansatz gemäß 2 und der „passive“ Ansatz gemäß den 3-5 kombiniert werden können. Das heißt, dass die Robotersteuerung auch bei einer Vorrichtung gemäß 3 die Orientierung des TCPs immer so nachregeln kann, dass die Kippwinkel ϕ unter einem vorgebbaren Schwellenwert bleiben. Das heißt, bevor der Kippwinkel ϕ den maximalen Kippwinkel ϕMAX erreicht wird (und die Ausbuchtung 521 an einer Kante der Ausnehmung 51 anstößt, siehe 8), kann die Robotersteuerung den TCP so anpassen, dass der Kippwinkel ϕ reduziert wird. Sind die Kippwinkel (z.B. basierend auf einer Messung) bekannt, können die Kippwinkel ϕ auf annähernd Null geregelt werden (unter Berücksichtigung unvermeidbarer Toleranzen). Um ein ständiges Nachregeln des TCP zu vermeiden, kann die Steuerung 4 dazu ausgebildet sein, den Kippwinkel ϕ nur dann durch Anpassung des TCP zu reduzieren, wenn der gemessene Winkel ϕ einen Schwellenwert ϕR erreicht hat, wobei der Schwellenwert ϕR kleiner sein kann als der Maximalwinkel ϕMAX.It should also be noted that the “active” approach according to 2 and the "passive" approach according to 3-5 can be combined. That means that the robot controller also in a device according to 3 the orientation of the TCP can always readjust so that the tilt angles ϕ remain below a predeterminable threshold value. That is, before the tilt angle ϕ reaches the maximum tilt angle ϕ MAX (and the bulge 521 at one edge of the recess 51 triggers, see 8th ), the robot controller can use the TCP Adjust so that the tilt angle ϕ is reduced. If the tilt angles are known (eg based on a measurement), the tilt angles ϕ can be regulated to approximately zero (taking into account unavoidable tolerances). In order to constantly readjust the TCP can avoid the controller 4th be designed to adjust the tilt angle ϕ only by adjusting the TCP to be reduced when the measured angle ϕ has reached a threshold value ϕ R , wherein the threshold value ϕ R can be smaller than the maximum angle ϕ MAX .
